大掺量矿物掺合料对桥梁工程混凝土性能的影响分析.pdf

桥隧工程大掺量矿物掺合料对桥梁工程混凝土性能的影响分析李刚（广西壮族自治区交通运输综合行政执法局，广西南宁53 0 0 2 8）摘要：文章针对不同掺量粉煤灰对C30、C 40、C 50 混凝土力学性能、干燥收缩性能、抗氯离子性能、碳化性能等的影响进行试验研究，结果表明：粉煤灰的掺入会导致不同强度混凝土力学性能的减弱，但掺入粉煤灰可以显著减小混凝土的干燥收缩值和电通量值，提高其抗开裂性和抗氯离子渗透性；粉煤灰的抗碳化性能随着混凝土强度的增加而减小，随着粉煤灰掺量的增加而增加；采用粉煤灰混凝土可以提高桥梁的耐久性和经济性，对资源和环境的保护起到积极作用。关键词：桥梁工程；粉煤灰；混凝土；力学性能；耐久性能中图分类号：U445.47*1文献标识码：ADOl：10.13 2 8 2/j.c n k i.Wc c s t.2 0 2 3.0 8.0 43文章编号：16 7 3-48 7 4(2 0 2 3)0 8-0 13 5-0 30引言1厂原材料和试验方法“碳达峰、碳中和”是全球重大战略，在水泥工业领域1.1原材料可以减少二氧化碳的排放来应对全球气候的变暖，为我水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥（PO42.5），其国在节能减排和固碳项目布局做出具体实施对策 1-2 1。主要性能如表1所示；河砂采用陕西武功砂厂生产，细度由于建筑物、桥梁等基础设施的加速建设，我国在2 0 2 0模数为2.8 1,含泥量为1.3%；粗骨料采用陕西铜川生产年水泥产量高达2 3.7 7 10 t,而每生产1t水泥原料过的5 2 5mm连续碎石，压碎指标为13.8%，针、片状颗程中碳酸盐分解造成的碳排放量约0.47 0.53 tCOze粒含量为8.1%，含泥量为0.8%；水采用普通自来水；减（即二氧化碳当量），每生产1t水泥原料的电力消耗排放水剂采用聚羧酸高性能减水剂,减水率为2 6.4%,落量约0.0 48 0.0 54tCO,e3。据报道，2 0 2 0 年我国粉煤度1h经时变化量为40 mm；采用陕西彬县华远新型陶粒灰的总排放量高达910 t。而粉煤灰作为矿物掺合料外加剂有限公司生产的级粉煤灰，其主要物理性能如以等质量取代水泥掺入到水泥基材料中，不仅可以提高表2 所示；水泥和粉煤灰主要化学组成如表3 所示。混凝土的耐久性能，还可以控制由于粉煤灰过量堆放造成的占用农田污染江河湖泊等问题 4-8。对于大掺量矿物掺合料混凝土在桥梁工程、大体积工程等的应用，国内外学者做了许多相关的研究。吴革森等 9对不同粉煤灰掺量的C50混凝土在桥梁工程中的应用进行力学性能和耐久性能试验研究，研究发现，适量的矿物掺合料可以提高混凝土的耐久性能。罗小博等 10 研究发现，粉煤灰掺量在15%2 0%时活性效果最佳。此外，龄期在2 8 90 d时，粉煤灰混凝土二次反应产生的胶凝材料更多，孔隙更加致密，使得混凝土各项性能得到改善。张文博等 11研究发现，在混凝土中掺入适量的粉煤灰可以通过降低水泥化热减小温度产生的应力来提高混凝土的抗裂性能。为此，本文针对不同掺量粉煤灰对不同强度混凝土各项性能的影响进行研究，为粉煤灰在桥梁工程混凝土中的应用提供试验理论支撑。作者简介：李刚（197 8 一）,工程师，主要从事交通建设工程监管工作。表1水泥物理、力学性能表比表面积凝结时间（min）抗折强度(MPa）抗压强度(MPa)(m/kg)初凝终凝3d28d361230表2 粉煤灰物理性能表（%）细度烧失量需水比含水率氯离子含量(45m方孔筛筛余）18.6表3 米粉煤灰和水泥的化学组成表（%）下列化学成分的质量分数材料SiQ2Al2O3Fe2O3CaoMgoSO3Na20K20水泥19.216.44.1863.462.083.910.39 0.91粉煤灰53.38 31.261.2配合比针对桥梁主塔墩和承台采用C30、桥台和墩台采用C40、梁体采用C50三个不同强度大体积混凝土的施工，3d28 d3105.56.78974.844.111.310.391.151.838.70.325.349.10.0132023年第8 期总第193 期13 5桥隧工程以不同粉煤灰掺量（0、10%、2 0%、3 0%、40%）等质量取代水泥对C30、C 40、C 50 混凝土力学性能、耐久性能进行测试，混凝土落度控制在18 0 2 0 mm，具体配合比如表4所示,其中 C30采用水胶比为0.42,C40采用水胶比为0.3 6,C50采用水胶比为0.3 0。表4不同强度混凝土配合比表（kg/m）强度等级水泥砂子碎石水减水剂水胶比C30389C40450C504901.3试验方法依据混凝土物理力学性能试验方法标准（GB/T50081-2019)12,对表4所示强度等级为 C30、C 40、C 50对应不同掺量粉煤灰共计12 组不同养护龄期的立方体混凝土试件进行抗压强度试验。依据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082-2009)13)中的接触法、电通量法、碳化试验进行干燥收缩、抗氯离子、碳化等性能测试。2结果与讨论2.1.力学性能分析图1 3 所示为粉煤灰掺量为0、10%、2 0%、3 0%、40%时对应C30、C 40、C 50 不同强度混凝土标准养护3 d、7d.28d的力学性能。由图可知，当粉煤灰掺量从0 增加到40%时，混凝土力学性能呈现明显的下降趋势。503020OL0图1不同粉煤灰掺量C30混凝土抗压强度柱状图605040302010L010%20%30%40%粉煤灰掺量图2 不同粉煤灰掺量C40混凝土抗压强度柱状图706040302010010%20%30%40%粉煤灰掺量图3 不同粉煤灰掺量C50混凝土抗压强度柱状图对C30混凝土而言，当粉煤灰掺量为0、10%、2 0%、30%、40%时，混凝土2 8 d抗压强度的抗压强度分别为42.3 MPa、3 9.4 MP a、3 8.6 MP a、3 7.7 MP a、3 3.8 MP a,分别降低了6.8%、8.7%、10.8%、2 0.1%。当粉煤灰掺量为40%时混凝土力学性能衰减严重，其强度为33.8MPa是无法满足C30强度的要求，因此C30混凝土强度粉煤灰的掺量可以控制在3 0%以内。此外，当粉煤灰掺量为3 0%时，混凝土早期抗压强度较小，会影响桥79610907401 0986551 1583dA728d10%20%30%40%粉煤灰掺量3dA7d28d3dWA7d28d1751621473.837.27.20.450.360.3梁承台的受力性能；粉煤灰掺量为2 0%时，C30混凝土力学性能最佳。对C40混凝土而言，当粉煤灰掺量为2 0%时，其28d抗压强度与掺量0 相比降低了3.17%；粉煤灰掺量为3 0%时，混凝土2 8 d抗压强度降低了11.3%。因此，粉煤灰掺量为2 0%时，C40混凝土力学性能降低幅度较小。针对C50混凝土，当粉煤灰掺量为0、10%、2 0%、30%、40%时，C50混凝土2 8 d抗压强度的抗压强度分别为 6 1.5 MPa、59.9 MP a、59.6 MP a、55.6 MP a、50.3 MP a。可以看出，当粉煤灰掺量在3 0%时对应的强度等级为55.6MPa，低于规范要求的C50强度的要求，因此,C50混凝土粉煤灰的掺量应该控制在2 0%以内。由此可知，粉煤灰掺量越大，混凝土强度越低，C30、C40、C 50 混凝土中以粉煤灰掺量2 0%为最优。后续在粉煤灰最佳掺量下进行混凝土耐久性试验。2.2.干缩性能分析图4所示为不同龄期下掺量为2 0%时C30、C 40、C50混凝土的干燥收缩率。由图4可知，混凝土干燥收缩率随着养护龄期的增加而增大，混凝土的干燥收缩主要集中在前90 d,90d后混凝土的干燥收缩率趋于平稳。C30、C 40、C 50 混凝土18 0 d时的干燥收缩率分别为33210-6、3 48 10-6、3 50 10-6，由此可知，不同强度之间混凝土干燥收缩率差别较小。当粉煤灰掺量为20%时,C30、C 40、C 50 混凝土18 0 d时的干燥收缩率分别为2 6 110-6、2 7 910-6、2 9510-6,分别降低了21.38%、19.8%、15.7 4%。由此可知，掺入2 0%的粉煤灰可以显著减小混凝土的干燥收缩率。400350F（0 1x）本动士300250F200100500020406080100120140160180200龄期(d)图4混凝土干燥收缩变化曲线图2.3抗氯离子性能分析图5所示为C30、C 40、C 50 混凝土掺入2 0%粉煤灰和不掺粉煤灰2 8 d时的电通量测试值。由图5可知，比较不同强度等级混凝土抗氯离子性能，C30、C 40、C 50 试件的电通量值分别为2 6 42 C、2 0 2 7 C、150 7 C,C 3 0-FA20%、C 40-FA 2 0%、C 50-FA 2 0%试件的电通量值分别C50C40C30-C50-FA20%+C40-FA20%C30-FA20%136西部交通科技 wesem.cinsCommunications Science&Technology大掺量矿物掺合料对桥梁工程混凝土性能的影响分析/李刚参考文献 1张红“双碳”目标下混凝土行业的高质量发展之路为2 2 50 C、18 2 1C、12 0 9 C,随着混凝土强度等级从C30增加至C50,抗氯离子性能提升较为明显。此外，掺入20%的粉煤灰，C30、C 40.C 50 试件的电通量值分别减小了3 92 C、2 0 6 C、2 98 C,可知随着粉煤灰掺量的增大，混凝土抗氯离子性能提升。3.0002.6422.500F22502.000F()5000图5浪混凝土电通量测试图2.4碳化性能试验表5所示为不同龄期下混凝土碳化深度与碳化时间的关系。由表可知,C30、C 40、C 50 混凝土56 d时的碳化深度分别为11.4mm、10.9 m m、8.1m m。可以看出,随着混凝土的力学性能由C30增加到C50,碳化深度减小了3.3 mm;C30-FA20%、C 40-FA 2 0%、C 50-FA 2 0%混凝土56 d的碳化深度为 13.8 mm、12.7 m m、9.3 m m,较未掺时分别增加了2.4mm、1.8 m m、1.2 m m。主要原因是粉煤灰取代水泥后，由于水泥用量的减少，导致水化产物减少，混凝土整体结构疏松，强度降低，整体孔结构增大。C30养护56 d时的碳化深度比养护3 d的碳化深度增加了9.5mm，C 50-FA 2 0%养护56 d时的碳化深度比养护3 d的碳化深度增加了7.3 mm。表5混凝土碳化深度与碳化时间关系表不同龄期混凝土碳化深度（mm）编号3dC301.9C30-FA20%2.8C401.7C40-FA20%2.1C501.5C50-FA20%2.03结语（1)粉煤灰的掺入会降低混凝土的强度，将掺量控制在2 0%之内，能满足对应的C30、C 40、C 50 混凝土强度要求。(2)粉煤灰可以减小混凝土干燥收缩，而随着混凝土强度的增加干燥收缩增大幅度较小。当粉煤灰掺量为20%时，C30、C 40、C 50 混凝土18 0 d时的干燥收缩率分别降低了2 1.3 8%、19.8%、15.7 4%。(3)随着粉煤灰的掺量的增大，混凝土电通量测试值减小，混凝土抗氯离子性能提升。随着混凝土强度的增加碳化深度减小，随着养护龄期的增加混凝土碳化深度明显增加，随着粉煤灰掺量的增加混凝土碳化深度增大。口未掺粉煤灰V掺2 0%粉煤灰2.0271.821C30C407d14 d2.83.13.95.02.42.93.54.21.92.73.24.0(4)粉煤灰的掺入可以减小水泥的用量，且对桥梁工程的耐久性能具有提升作用。1.5071.209C5028 d5.17.74.66.13.54.9J.混凝土世界,2 0 2 1(9)：1417.2谢东，黎中元，聂涛.铆定“双碳”目标再谋绿色新篇2 0 2 1第八届“井冈山论坛”纪实 J.江西建材，2021(10):378.3孟旭燕，肖学党.粉煤灰替代部分水泥的碳减排试验研究J.中国水泥,2 0 2 1(10):8 9-9 1.4武永志，邹晓侠.粉煤灰和矿粉对混凝土性能影响的试验研究 J.市政技术，2 0 14,3 2(2)：16 3-16 6，16 9.5王文林,杜兆金.粉煤灰掺量对高性能混凝土抗裂性能影响的研究 J.市政技术,2 0 12,3 0(5)：148-149.6张磊.浅析北京市预拌混凝土用粉煤灰性能与微观形貌 J.市政技术，2 0 2 0,3 8(5)：2 8 3-2 8 6.7 Mahdi Rafieizonooz,Jahangir Mirza,Mohd Razman Salim,et al.Investigation of coal bottom ash and fly ash in concrete asreplacement for sand and cement J.Construction andBuilding Materials,2016(116):15-24.8Rishabh Bajpai,Kailash Choudhary,Anshuman Srivastava,etal.Environmental impact assessment of fly ash and silica fumebased geopolymer concrete J.Journal of CleanerProduction,2020(254):120 147.56 d9吴革森,刘泳.粉煤灰高性能混凝土在桥梁工程中的试11.4验研究 J.公路交通科技（应用技术版），2 0 0 9,5（9）：13.825-27.10.910 罗小博，宋或，郭启明，等.粉煤灰掺量对混凝土力学12.7性能影响的试验研究 J.混凝土，2 0 2 1,3 8 2（8)：8 8-8.190,95.9.311张文博，赵双权，毛明杰，等.大体积粉煤灰混凝土水化热分析研究 J.混凝土，2 0 18,3 47(9)：157-16 0.12GB/T50082-2009,普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准 S.13 G B/T 50 0 8 1-2 0 19,混凝土物理力学性能试验方法标准 S.收稿日期：2 0 2 3-0 4-3 02023年第8 期总第193 期13 7